肠道微生物对慢性肾脏病患者骨骼肌代谢的影响及干预策略(2020完整版)

肠道微生物对慢性肾脏病患者骨骼肌代谢的影响及干预策略（2020完整版）摘要骨骼肌萎缩是慢性肾脏病（CKD）患者较为普遍存在的一种并发症，可增加患者的死亡风险，并影响其生存质量。

目前认为，CKD骨骼肌萎缩的主要原因与促进蛋白质分解的信号通路被激活有关。

CKD状态下，肠道微生物与人体组成的动态平衡共生系统遭到破坏，由此诱发的肠道微生态失衡可加快CKD进展，并提高并发症的发生率。

本文对引起蛋白质分解的分子机制进行综述，为减轻或改善CKD患者骨骼肌萎缩提供新的治疗策略。

慢性肾脏病（CKD）所引起的骨骼肌萎缩使患者生活质量降低的同时亦使疾病的预后恶化[1]。

因此，骨骼肌已作为评估CKD预后的一个重要指标。

CKD引起骨骼肌萎缩的复杂分子机制和调控方式正逐渐被阐明，蛋白质合成抑制和分解增加是骨骼肌萎缩的特征性蛋白质代谢模式[2]。

骨骼肌能够通过自分泌或旁分泌的方式影响局部肌肉甚至其他部位的细胞或组织代谢[3]。

同样，其他组织或器官亦能调控骨骼肌生长。

然而至目前为止，人们还是无法寻找到有效阻止骨骼肌萎缩的治疗方法。

在人类肠道中寄居的数以百万亿的复杂微生物菌群是维持宿主健康的共生、稳态系统，其影响着宿主的生理功能[4]。

进一步研究发现，正常的肠道菌群结构在CKD、糖尿病及肿瘤等慢性疾病时亦会发生改变，且加速疾病的进程[5]。

另有研究显示，肠道微生物的某些代谢产物可调控肌肉细胞的代谢，一些特定的菌群有改善骨骼肌萎缩的作用。

为此，回顾既往相关研究，阐明CKD-肠道微生态-骨骼肌代谢轴的分子机制及信号通路等，可为预防或改善CKD患者骨骼肌萎缩治疗提供新策略。

一、肠道微生物与能量代谢的关系健康状态下，肠道微生物通过促进营养成分吸收、氨基酸合成及调控病理性代谢产物和炎性因子等在宿主的能量代谢方面发挥重要的作用[6]。

由于骨骼肌作为蛋白质储存和血糖调控的主要器官，因此亦参与了机体能量代谢，提示肠道微生物可能会间接影响骨骼肌的代谢功能。

肠道微生物参与蛋白质的代谢首先体现在对氨基酸的调控作用上。

微生物可通过分解食物为机体提供必需氨基酸，健康的肠道微环境可提高氨基酸的生物利用率以促进人体生长发育。

而改变肠道菌群的构成，氨基酸的代谢亦会随之变化。

研究发现，增加小鼠肠道乳酸菌的数量后，其粪便氨基酸类型会发生显著改变。

抗菌剂月桂酸单甘油酯诱导肠道菌群失调甚至可以改变多种氨基酸的代谢途径，最终导致机体肌肉比例下降[7]。

短链脂肪酸是肠道微生物代谢释放的另一类生物活性物质，这些物质能与肌肉、肝脏中的特定细胞靶向结合并相互作用，进而调节能量代谢[8]。

CKD改变了肠道微生态及代谢变化。

有研究证实，与健康人比终末期肾病患者的190种肠道菌群已发生显著变化。

同样，CKD小鼠模型也有175种菌群的变化。

它们均表现为益生菌数量显著降低，腐生菌过度生长。

目前认为，CKD状态下引起肠道菌群失调可能与肾小球滤过率（GFR）下降、尿素清除率降低有关。

尿素进入肠腔并经肠道微生物水解后，所产生大量的氨可改变肠道的微环境，从而影响微生物生长。

CKD诱导肠道菌群失调所产生的病理性代谢产物影响着骨骼肌代谢。

研究表明，CKD引起的菌群失调可破坏肠上皮细胞紧密连接结构，增加肠上皮渗透性，促使病理性代谢产物转移至血液循环中。

(1）脂多糖即是其中之一，是革兰阴性菌外膜的一个组成成分，可诱发炎症反应、氧化应激等[9]。

脂多糖可引起肿瘤坏死因子（TNF）α、白细胞介素（IL）-6等促炎因子水平增加，导致胰岛素抵抗和肌肉组织的炎症反应，使肌肉蛋白质分解加速，并抑制其蛋白质合成，最终出现特征性骨骼肌萎缩的表现[10]。

(2）硫酸吲哚酚和对甲酚硫酸盐在CKD状态下大量蓄积，硫酸吲哚酚和对甲酚硫酸盐均能造成胰岛素抵抗和炎症反应，从而影响骨骼肌能量代谢[11]。

(3）肌生成抑制蛋白（myostatin、atrogin-1）在CKD诱导菌群失调引起的炎症反应、毒素蓄积和氧化应激状态中均会被激活发挥其蛋白降解作用[12]。

二、CKD-肠道微生态-骨骼肌萎缩的分子机制1．胰岛素样生长因子1（IGF-1）/胰岛素/PI3K/Akt信号途径：CKD诱导肠道菌群失调后抑制肌肉组织蛋白质合成的关键因素即是胰岛素抵抗[11]。

众所周知，胰岛素抵抗是CKD中普遍存在的现象，IGF-1/胰岛素/PI3K/Akt信号通路受抑制是根本原因。

通常，蛋白质合成与分解过程均依赖于Akt磷酸化调控，IGF-1或胰岛素与细胞膜上相应受体结合后可引起包括胰岛素受体底物1(IRS-1)、Akt等一系列磷酸化反应。

Akt磷酸化后一方面可通过调控mTOR促进蛋白质合成，另一方面可促使FoxO发生磷酸化。

由于磷酸化的FoxO无法进入到细胞核内，因此需去磷酸化处理。

去磷酸化的FoxO在细胞核内可上调MuRF1和atrogin-1水平，并最终通过泛素蛋白酶系统（UPS）和caspase-3促进蛋白质分解。

此前描述的CKD中菌群失调所致的代谢变化主要通过抑制IRS-1和PI3K 磷酸化阻断此通路达到胰岛素抵抗，而受阻的信号通路下游的Akt磷酸化水平随之降低并下调mTOR，从而加速去磷酸化FoxO合成，使蛋白质分解增加。

因此CKD患者骨骼肌萎缩与其肠道菌群失调引起胰岛素抵抗密切相关。

2．脂多糖/Toll样受体/核转录因子-κB （NF-κB）信号途径：脂多糖/Toll样受体/NF-κB信号通路是CKD骨骼肌萎缩的另一条特殊通路。

CKD诱导肠道菌群失调引起脂多糖增多激活了该通路。

作为Toll样受体主要的下游靶点，NF-κB在骨骼肌萎缩中亦起着关键作用[13]。

通常，在肌肉组织中Toll样受体2、Toll样受体4、Toll样受体5和Toll样受体9等亚型均有表达，但NF-κB通过亚型Toll样受体4受体活化，其强度却是Toll样受体2的20倍。

Toll样受体2是由革兰阳性菌的肽聚糖激活，而Toll样受体4则由脂多糖激活。

骨骼肌细胞即是通过Toll样受体识别脂多糖之类的病源相关分子（PAMPs）发挥其固有免疫作用。

Toll样受体调控NF-κB还须有TNFα或IL-6的参与。

Toll样受体4发生突变后，脂多糖上调促炎因子TNFα和IL-6的作用则显著降低，细胞核内NF-κB水平亦会下降。

此外，脂多糖激活Toll样受体4后还可通过p38丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）上调atrogin-1和MuRF1引起骨骼肌的显著萎缩[14]。

3．硫酸吲哚酚对骨骼肌蛋白的负性调节作用：当肠道屏障功能遭到破坏后，肠道菌群产生的毒性代谢产物会大量进入血液循环中。

色氨酸衍生物硫酸吲哚酚即是其中之一。

血清硫酸吲哚酚浓度升高不仅与肾功能下降密切相关，还能作用于肌肉组织，抑制C2C12成肌细胞的增殖和肌小管形成[15]。

硫酸吲哚酚不仅能增加促炎因子（TNF α和IL-6）水平，还可以上调肌生成抑制蛋白（myostatin、atrogin-1)[15]。

TNFα可通过p38 MAPK激活atrogin-1和MuRF1，促进蛋白质分解。

IL-6则通过调控SOCS-3，下调IRS-1而引起骨骼肌萎缩。

肌生成抑制蛋白主要通过与其特异性受体ActRIIB结合后降低Akt磷酸化，从而起到抑制肌肉组织蛋白质合成的作用[16]。

此外，肌生成抑制蛋白还可通过激活SMAD信号通路引起蛋白质分解[17]。

三、CKD骨骼肌萎缩的治疗策略1．益生元和益生菌：益生元促进菌群生长并对宿主产生有益作用。

益生元的种类繁多，包括低聚半乳糖、低聚果糖、大豆低聚糖和菊粉等[18]。

研究证实，低聚果糖可增加肠道内双歧杆菌数量，同时降低脂肪比例，增加肌肉比例[19]。

此外，低聚果糖和菊粉既可提高机体免疫力，还可减少蛋白质分解，抑制并延缓骨骼肌萎缩。

益生菌如双歧杆菌、乳酸杆菌和链球菌等是肠道内固有菌群，既对宿主发挥重要的脏器保护作用，亦能改善CKD症状。

应用益生菌能显著抑制胰岛素抵抗[20]。

益生菌还可增加肠道内短链脂肪酸的产生，调节机体葡萄糖/胰岛素代谢平衡和提高脂质代谢。

故益生菌可能通过调控能量代谢来改善CKD的骨骼肌萎缩症状。

2．粪菌移植：是指将健康供者的粪菌合成制剂移植至受者肠道内，通过重建健康肠道菌群结构来治疗某些特殊疾病的一种方法[21]。

研究发现，将瘦型体质者的粪菌移植至代谢综合征患者肠道内，6周后代谢综合征患者的胰岛素敏感性及益生菌水平同步得到提升[22]。

而这也为今后治疗CKD相关性骨骼肌萎缩提供了一种新思路。

3．毒素吸附：AST-120能与尿毒症毒素结合并将其清除，显著改善肠道微环境，促进益生菌生长，同时提高肠道上皮细胞间紧密连接，降低肠黏膜渗透性，有效抑制肠道内病原体移位至循环中。

应用AST-120后，可显著降低CKD患者血清脂多糖、硫酸吲哚酚水平[23]。

司维拉姆作为一种交换型磷结合剂可降低血透患者内毒素水平改善其预后[24]。

这些临床研究提示，应用毒素吸附方式降低促进蛋白质分解的毒素水平在一定程度上可改善CKD患者的骨骼肌萎缩现象。

4．短链脂肪酸：包括醋酸、丙酸和丁酸等，由结肠和盲肠内肠道微生物产生，其不仅是机体的供能物质，还能调控机体的能量代谢。

调节胰高血糖素样肽-1的产生，增加胰岛素分泌；丙酸和丁酸还可降低IL-6、IL-12等促炎因子水平；丁酸盐还有抑制巨噬细胞产生一氧化氮等促炎介质的作用[25]。

通过上述作用，短链脂肪酸参与了抑制机体的炎症反应，使导致CKD骨骼肌萎缩的通路活性作用减弱。

5．油脂及精油：有研究证实，富含n-3多不饱和脂肪酸（n-3 PUFA）的鱼油、亚麻籽油等膳食脂肪能显著增加肠道内乳酸菌、双歧杆菌等益生菌数量[26]。

薰衣草、藏茴香、柑橘等精油可选择性的减少肠道内病原微生物的数量，最终在抑制肠道内炎症反应的同时，促进产短链脂肪酸菌的增殖能力，以改善蛋白质代谢，减轻CKD患者骨骼肌萎缩症。

骨骼肌萎缩将影响CKD患者的预后。

由于机制尚不清楚，故治疗手段极为有限。

随着肠道微生态异常在人类疾病中发挥的作用被不断揭示，相信不久的将来在此领域研究将会有新的突破，调整、改善CKD-肠道微生态-骨骼肌代谢轴有望成为治疗CKD相关骨骼肌萎缩的新靶点。